- •Электромагнетизм Статическое магнитное поле в вакууме
- •Магнитное поле Вектор магнитной индукции
- •Закон Био-Савара-Лапласа
- •Магнитное поле прямого тока
- •Магнитное поле на оси кругового тока
- •Магнитное поле равномерно движущегося заряда
- •Закон Ампера Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле
- •Контур с током в магнитном поле
- •Сила Лоренца
- •Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле
- •Масс-спектрограф
- •Эффект Холла
- •Циркуляция вектора магнитной индукции
- •Магнитное поле соленоида
- •Магнитное поле тороида
- •Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле
Масс-спектрограф
В 1919 году английский учёный Ф.В. Астон сконструировал прибор, который позволял разделять химические элементы и их изотопы по величине удельного заряда.
П учок ионов последовательно попадает в электрическое и магнитное поля, направленные так, чтобы они отклоняли ионы в противоположные стороны. При прохождении электрического поля ионы с данным значением (q/m) отклоняются тем сильнее, чем медленнее они двигаются. Поэтому из электрического поля ионы выходят в виде расходящегося пучка. В магнитном поле траектории ионов искривлялись тем сильнее, чем медленнее они двигались. Так как направления отклонения полями были противоположны, то после выхода из магнитного поля ионы образуют пучок, сходящийся в одной точке, соответствующей данному значению удельного заряда (q/m)i.
Ионы с другими значениями удельного заряда фокусируются в других точках. Причём все фокусы лежат на одной прямой. Помещая вдоль этой прямой фотопластинку, можно получить на ней ряд полос, каждая из которых соответствует определённому значению q/m.
В настоящее время существует много типов масс-спектрографов. Если ионы регистрируются не на фотопластинку, а с помощью электрического устройства (коллектора), то такие приборы называются масс-спектрометрами.
Эффект Холла
Если проводящую пластинку, вдоль которой течет постоянный электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то между гранями, параллельными направлениям тока и поля, возникает разность потенциалов. Это эффект Холла. Поместим пластинку с током плотностью в магнитное поле , перпендикулярное . В металле носителями тока являются свободные электроны. Их скорость направлена справа налево.
Электроны испытывают действие силы Лоренца , которая направлена вверх (направление определяется векторным произведением , с учетом того, что ток переносится электронами). В результате действия силы Лоренца у электронов появится составляющая скорости, направленная вверх. У верхней грани пластины образуется избыток отрицательных зарядов, а у нижней – избыток положительных зарядов. В результате возникает поперечное электрическое поле. Стационарное распределение зарядов в поперечном направлении установится при таком значении напряженности электрического поля , что его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца. Возникшую при этом поперечную холловскую разность потенциалов можно вычислить из условия установившегося стационарного распределения зарядов:
, следовательно
где - высота пластинки.
Учитывая, что сила тока в пластинке , получим:
, – площадь поперечного сечения пластинки (размеры пластинки обозначены на рисунке).
Величина постоянная Холла, зависящая от вещества. Окончательно можно записать:
Данное выражение для холловской разности потенциалов получено для металлов в предположении, что проводящая пластина помещена в сильное магнитное поле (порядка 1 Тл). В общем случае постоянную Холла следует записать в виде:
В сильных магнитных полях A = 1. В слабых полях и в полупроводниках в зависимости от природы рассеяния носителей тока А может изменяться от 1,18 (рассеяние на тепловых колебаниях кристаллической решётки) до 1,93 (рассеяние на ионах примесей).
При равной концентрации носителей заряда обеих знаков, как наблюдается у собственных полупроводников, также возникает, если различна подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Подвижность – это средняя скорость, приобретаемая носителями тока, при напряжённости электрического поля равной 1 В/м.
Как можно использовать эффект Холла? Из выражения для можно определить . Знание постоянной Холла позволяет:
а) найти концентрацию и подвижность носителей тока в веществе;
б) судить о природе проводимости полупроводников (знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда носителей тока).
Датчики Холла используются для измерения величины магнитного поля, применяются в измерительной технике для иных целей.